一种提高平面硫化镉靶材溅射膜厚均匀性的装置及方法与流程

1.本发明涉及平面硫化镉靶材技术领域，尤其涉及一种提高平面硫化镉靶材溅射膜厚均匀性的装置及方法。


背景技术：

2.硫化镉是一种直接带隙的n型半导体，用于cigs太阳能电池芯片的缓冲层，减少cigs吸收层与氧化锌窗口层的晶格失配；硫化镉膜厚对芯片的短流密度和开路电压有直接影响，所以为了保证芯片性能稳定和均匀性，控制硫化镉膜厚均匀性非常重要。
3.因硫化镉靶材的特殊性，具有陶瓷属性，并且太脆，所以溅射用的靶材为平面靶，目前所用的硫化镉靶材，通常采用直流溅射来制备硫化镉缓冲层，四根平面靶溅射总功率与膜厚约为线性关系，目前四根靶的阴极系统是统一的，每个靶的阴极系统磁场分布一致，均采用脉冲直流电源溅射，通过xrf测试总的硫化镉厚度，来反馈调整溅射功率。
4.四根靶材因成分以及密度的一致性，阴极系统磁场的一致性，以及阳极接地的统一性，使得每根靶溅射出来的膜厚不同位置的膜厚趋势接近一致，硫化镉的目标膜厚在46nm，为保证芯片性能最优，偏差需控制在5％左右，但实际膜厚的不均匀性通常达到7％左右，太厚和太薄导致芯片性能差异，结果导致硫化镉的工艺调试窗口太小。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提出一种提高平面硫化镉靶材溅射膜厚均匀性的装置及方法，以解决实际膜厚不均匀性较高，导致硫化镉的工艺调试窗口太小的问题。
6.基于上述目的，本发明提供了一种提高平面硫化镉靶材溅射膜厚均匀性的装置，包括四根平行且并列设置的平面硫化镉靶材，分别为第一靶材、第二靶材、第三靶材和第四靶材，其中第一靶材和所述第二靶材的功率为1.5x～2.0x，各所述平面硫化镉靶材的阴极磁场系统均包括：
7.第一磁铁区域，包括多块n极朝外且依次排列的第一永久磁铁，
8.第二磁铁区域，设置在所述第一磁铁区域外围，包括多块s极朝外且依次排列构成环形的第二永久磁铁；
9.所述第一磁铁区域和所述第二磁铁区域之间形成溅射跑道；
10.所述第三靶材中第一磁铁区域以位于正中间的一个或两个磁铁处对应的溅射跑道位置的磁感应强度为基准，第一端的每一块永久磁铁的磁力递增，使其对应的溅射跑道位置的磁感应强度依次按1％递增，第二端的每一块永久磁铁的磁力递减，使其对应的溅射跑道位置的磁感应强度依次按1％递减，且所述第三靶材的功率为为0.7x-1.3x；
11.所述第四靶材中第一磁铁区域以位于正中间的一个或两个磁铁处对应的溅射跑道位置的磁感应强度为基准，第二端的每一块永久磁铁的磁感应强度递增，使其对应的溅射跑道位置的磁感应强度依次按1％递增，第一端的每一块永久磁铁的磁感应强度递减，使其对应的溅射跑道位置的磁感应强度依次按1％递减，且所述第四靶材的功率为0.7x～
1.3x。
12.优选地，第一永久磁铁的数量为四十个，所述第三靶材和所述第四靶材中第一磁铁区域均以位于正中间的第十九个和第二十个磁铁处对应的溅射跑道位置的磁感应强度为基准。
13.优选地，第三靶材中，第十九个和第二十个磁铁处对应的溅射跑道位置的磁感应强度为1000gs。
14.优选地，第二永久磁铁的数量为九十四个。
15.本说明书还提供一种提高平面硫化镉靶材溅射膜厚均匀性的方法，基于四根平行且并列设置的平面硫化镉靶材，分别为第一靶材、第二靶材、第三靶材和第四靶材，其中，所述第一靶材和所述第二靶材的功率均为1.5x～2.0x，所述第三靶材和所述第四靶材的功率为1.0x，各所述平面硫化镉靶材的阴极磁场系统均包括：
16.第一磁铁区域，包括多块n极朝外且依次排列的第一永久磁铁，
17.第二磁铁区域，设置在所述第一磁铁区域外围，包括多块s极朝外且依次排列构成环形的第二永久磁铁；
18.所述第一磁铁区域和所述第二磁铁区域之间形成溅射跑道；
19.本方法包括以下步骤：
20.将所述第一靶材和所述第二靶材的功率设置为相同；
21.调节所述第三靶材中第一磁铁区域内的各磁铁的磁力，以位于正中间的一个或两个磁铁处对应的溅射跑道位置的磁感应强度为基准，沿第一端将每一块永久磁铁的磁力递增，使其对应的溅射跑道位置的磁感应强度依次按1％递增，沿第二端将每一块永久磁铁的磁力递减，使其对应的溅射跑道位置的磁感应强度依次按1％递减；
22.调节所述第四靶材中第一磁铁区域内的各磁铁的磁力，以位于正中间的一个或两个磁铁处对应的溅射跑道位置的磁感应强度为基准，沿第二端将每一块永久磁铁的磁力递增，使其对应的溅射跑道位置的磁感应强度依次按1％递增，沿第二端将每一块永久磁铁的磁力递减，使其对应的溅射跑道位置的磁感应强度依次按1％递减；
23.根据溅射膜厚差异情况，将第三靶材和/或第四靶材的功率提高0～30％或降低0～30％。
24.优选地，根据溅射膜厚差异情况，将第三靶材和/或第四靶材的功率提高0～30％或降低0～30％包括：
25.根据溅射膜厚差异情况，若第一端处膜厚较大，则将第三靶材的功率降低0～30％，若第一端处膜厚较小，则将第三靶材的功率提高0～30％；
26.根据溅射膜厚差异情况，若第二端处膜厚较大，则将第四靶材的功率降低0～30％，若第二端处膜厚较小，则将第四靶材的功率提高0～30％。
27.优选地，本方法还包括：
28.适应性调节所述第一靶材和所述第二靶材的功率，使所述装置的总功率在原总功率的基础上保持不变。
29.本发明的有益效果：本装置和方法从硬件系统设计上面做优化，针对现有的硫化镉靶阴极系统，磁场可以通过调整不同磁性的永久磁铁，可操作性强，既可以满足磁场调整的需求，不需要修改其他硬件或是软件，工艺参数也不需要做修改，而且从结果来看，既可
以满足总体膜厚的需求，又能够单独调整整体膜厚的均匀性，扩大了硫化镉工艺调试窗口。
附图说明
30.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
31.图1为本发明实施例的平面硫化镉靶材阴极磁场系统示意图；
32.图2为本发明实施例的四根平面硫化镉靶材平行且并列设置示意图。
33.图中标记为：
34.1、第一磁铁区域；2、第二磁铁区域；3、溅射跑道。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进一步详细说明。
36.需要说明的是，除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
37.为了应对实际膜厚的不均匀性通常达到7％左右，太厚和太薄导致芯片性能差异，结果导致硫化镉的工艺调试窗口太小的问题，我们尝试调整总功率或是单独调整某一根靶的溅射功率，但只能提高整体膜厚，对均匀性无法改善，膜厚的不均匀性导致芯片的性能差异，太薄使得开路电压voc低以及短流密度jsc高，太厚使得开路电压voc高以及短流密度jsc低，不同位置的芯片短流密度jsc相差10％，而且带来芯片或是组件长期可靠性的影响。
38.基于此，本说明书实施例提供一种提高平面硫化镉靶材溅射膜厚均匀性的装置，包括四根平行且并列设置的平面硫化镉靶材，分别为第一靶材、第二靶材、第三靶材和第四靶材，其中第一靶材和所述第二靶材的功率为1.5x～2.0x，其中x表示功率的单位值，根据实际工作情况不同有所变化，各所述平面硫化镉靶材的阴极磁场系统均包括：
39.第一磁铁区域1，包括多块n极朝外且依次排列的第一永久磁铁，
40.第二磁铁区域2，设置在所述第一磁铁区域1外围，包括多块s极朝外且依次排列构成环形的第二永久磁铁；
41.所述第一磁铁区域1和所述第二磁铁区域2之间形成溅射跑道3；
42.所述第三靶材中第一磁铁区域1以位于正中间的一个或两个磁铁处对应的溅射跑道3位置的磁场强度为基准，第一端的每一块永久磁铁的磁力递增，使其对应的溅射跑道3位置的磁感应强度依次按1％递增，第二端的每一块永久磁铁的磁力递减，使其对应的溅射
跑道3位置的磁感应强度依次按1％递减，且所述第三靶材的功率为为0.7x-1.3x；
43.所述第四靶材中第一磁铁区域1以位于正中间的一个或两个磁铁处对应的溅射跑道3位置的磁场强度为基准，第二端的每一块永久磁铁的磁场强度递增，使其对应的溅射跑道3位置的磁感应强度依次按1％递增，第一端的每一块永久磁铁的磁场强度递减，使其对应的溅射跑道3位置的磁感应强度依次按1％递减，且所述第四靶材的功率为0.7x～1.3x。
44.举例来说，第二永久磁铁的数量为九十四个，第一永久磁铁的数量为四十个，则第三靶材和第四靶材中位于正中间的磁铁数量应为两个，分别是第十九个和第二十个，即在调节磁铁的磁力时，以这两个磁铁为基准。
45.举例来说，第三靶材中第十九个和第二十个磁铁处对应的溅射跑道3位置的磁场强度为1000gs，则第十八个为990gs，第一个为820gs，第二十一个为1010gs，第四十个为1180gs，以此类推。
46.第四靶材中第十九个和第二十个磁铁处对应的溅射跑道3位置的磁场强度为1000gs，则第十八个为1010gs，第一个为1180gs，第二十一个为990gs，第四十个为820gs。
47.按以上方式调节修改磁场后，优化后的不均匀性可以提高到3％左右。
48.上述s极朝外和n极朝外指的是如图1中垂直纸面朝外的方向。
49.如下表1为现有的平面硫化镉靶材装置与本技术提供的提高平面硫化镉靶材溅射膜厚均匀性的装置，溅射出的膜厚不同位置膜厚测量值，可以看出，现有装置的膜厚不均匀性约为7％，而本装置优化后的不均匀性可以提高到3％左右。
50.表1
[0051][0052]
表中rc strip表示对应的一整张的条数位置，如1对应第一个n磁铁，21对应第40个n磁铁，cds(a)表示膜厚，uniformity表示膜厚不均匀性。
[0053]
本说明书实施例还提供一种提高平面硫化镉靶材溅射膜厚均匀性的方法，基于四根平行且并列设置的平面硫化镉靶材，分别为第一靶材、第二靶材、第三靶材和第四靶材，其中，第一靶材和第二靶材的功率均为1.5x～2.0x，第三靶材和第四靶材的功率为1.0x，前面靶的功率要比后面的高，晶粒大可以阻隔cigs膜层里面cu往azo扩散，电池效率会较高，各平面硫化镉靶材的阴极磁场系统均包括：
[0054]
第一磁铁区域1，包括多块n极朝外且依次排列的第一永久磁铁，
[0055]
第二磁铁区域2，设置在所述第一磁铁区域1外围，包括多块s极朝外且依次排列构成环形的第二永久磁铁；
[0056]
所述第一磁铁区域1和所述第二磁铁区域2之间形成溅射跑道3。
[0057]
本方法包括：
[0058]
将所述第一靶材和所述第二靶材的功率设置为相同；
[0059]
调节所述第三靶材中第一磁铁区域1内的各磁铁的磁力，以位于正中间的一个或两个磁铁处对应的溅射跑道3位置的磁场强度为基准，沿第一端将每一块永久磁铁的磁力递增，使其对应的溅射跑道3位置的磁感应强度依次按1％递增，沿第二端将每一块永久磁铁的磁力递减，使其对应的溅射跑道3位置的磁感应强度依次按1％递减；
[0060]
调节所述第四靶材中第一磁铁区域1内的各磁铁的磁力，以位于正中间的一个或两个磁铁处对应的溅射跑道3位置的磁场强度为基准，沿第二端将每一块永久磁铁的磁力递增，使其对应的溅射跑道3位置的磁感应强度依次按1％递增，沿第二端将每一块永久磁铁的磁力递减，使其对应的溅射跑道3位置的磁感应强度依次按1％递减；
[0061]
根据溅射膜厚差异情况，将第三靶材和/或第四靶材的功率提高0～30％或降低0～30％。
[0062]
作为一种实施方式，根据溅射膜厚差异情况，将第三靶材和/或第四靶材的功率提高0～30％或降低0～30％包括：
[0063]
根据溅射膜厚差异情况，若第一端处(如图2中上端)膜厚较大，则将第三靶材的功率降低0～30％，若第一端处膜厚较小，则将第三靶材的功率提高0～30％；
[0064]
根据溅射膜厚差异情况，若第二端处(如图2中下端)膜厚较大，则将第四靶材的功率降低0～30％，若第二端处膜厚较小，则将第四靶材的功率提高0～30％。
[0065]
作为一种实施方式，本方法还包括：
[0066]
适应性调节所述第一靶材和所述第二靶材的功率，使所述装置的总功率在原总功率的基础上保持不变，保证芯片平均效率变化低于0.1％。
[0067]
举例来说，调节后的数值和上述装置实施例中相同，本方法从硬件系统设计上面做优化，磁场可以通过调整不同磁性的永久磁铁，可操作性强，既可以满足磁场调整的需求，不需要修改其他硬件或是软件，工艺参数也不需要做修改，而且从结果来看，既可以满足总体膜厚的需求，又能够单独调整整体膜厚的均匀性，扩大了硫化镉工艺调试窗口。
[0068]
本技术中所指的第三靶材和第四靶材，是四根靶材中的任意两根，即四根靶材所在阴极磁场不一样，有二根靶所在阴极磁场强弱变化趋势相反，使得能通过调整这二根靶的功率来单独调试某一区域的膜厚，改善均匀性。
[0069]
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
[0070]
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。